碳纤维复合材料超声制孔试验研究

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.03.012

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (3): 65-70.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.03.012

碳纤维复合材料超声制孔试验研究

王诚¹(), 苏永生¹(), 阮芳涛², 朱益洋¹

^1.安徽工程大学机械与汽车工程学院，安徽芜湖 241000
^2.安徽工程大学纺织服装学院，安徽芜湖 241000

收稿日期:2024-08-06 出版日期:2025-03-26 发布日期:2025-03-24
通讯作者: 苏永生（1982—），男，副教授，从事高效切削方面研究，sysh@ahpu.edu.cn
E-mail:1918283540@qq.com;sysh@ahpu.edu.cn
作者简介:王诚（1998—），男，硕士研究生，研究方向为高效切削，1918283540@qq.com
基金资助:
安徽省重点研究与开发计划项目(2022a05020006);安徽省高等学校科学研究重大项目(2022AH040134);面向航天用零部件的高性能加工关键技术研发(HX?2024?09?006);安徽工程大学研究生质量工程项目(2023yzl015);安徽省高校质量工程项目;安徽工程大学本科教学质量提升计划项目(2022szyzk66)

Experimental study on hole⁃making of CFRP with ultrasonic vibration

WANG Cheng¹(), SU Yongsheng¹(), RUAN Fangtao², ZHU Yiyang¹

^1.College of Mechanical and Automotive Engineering，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China
^2.College of Textile and Clothing，Anhui Polytechnic University，Wuhu 241000，China

Received:2024-08-06 Online:2025-03-26 Published:2025-03-24
Contact: SU Yongsheng E-mail:1918283540@qq.com;sysh@ahpu.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

针对碳纤维复合材料（CFRP），分别开展在干钻和超声干钻条件下PCD刀具制孔试验研究，探求改进碳纤维复合材料切削性能的方法，进一步提高CFRP的制孔效率和质量。在干钻和超声干钻条件下，分别采用PCD常规刀具和PCD织构刀具对碳纤维复合材料进行制孔，对不同条件下产生的切削力、孔入口直径尺寸、孔外部形貌及刀具表面黏结情况进行分析。在超声干钻条件下，纤维丝断裂更加充分，但孔直径总体偏大，相对于PCD常规刀具，PCD织构刀具制孔使总切削力最高降低34.72%，孔径相对误差降最大降低1.27%。在PCD织构刀具加工条件下，孔入口处表面质量更好，超声干钻使得总切削力降低6.64%~16.87%。相较于干钻制孔，超声干钻断屑效果更好，能有效抑制入口处毛刺的产生。在超声干钻条件下，相较于PCD常规刀具，PCD织构刀具可以有效降低切削力。在PCD织构刀具条件下，相较于干钻制孔，超声干钻可以有效降低切削力。

关键词: 碳纤维复合材料, 超声振动, PCD刀具, 切削力, 制孔

Abstract:

An experimental study was conducted on the hole⁃making performance of carbon fiber⁃reinforced composites （CFRP） using a PCD tool under dry drilling and ultrasonic dry drilling conditions. The objective was to identify potential avenues for enhancing the cutting performance of CFRP and to optimize the efficiency and quality of hole⁃making for CFRP. In order to ascertain the efficacy of PCD conventional tools and PCD weaving tools in the context of dry drilling and ultrasonic dry drilling conditions， the holes were made in CFRP. The cutting force， hole entrance diameter size， hole external morphology， and tool surface adhesion were analyzed under different conditions. In the context of ultrasonic dry drilling， the fiber filaments were found to be more extensively broken， although the resulting hole diameter was typically large. Compared to the PCD conventional tool， the PCD structuring tool resulted in a reduction by 34.72% in the total cutting force and by 1.27 % in the relative error drop of the hole diameter. The surface quality at the entrance of the hole was superior under the PCD textile tool machining conditions， and ultrasonic dry drilling reduced the total cutting forces by 6.64% to 16.87 %. Compared to dry drilling， ultrasonic dry drilling generated a more pronounced effect on breaking up chips and could effectively inhibiting the generation of burrs at the entrance. In the context of ultrasonic dry drilling， PCD weaving tools could reduce the cutting force in comparison with conventional PCD tools. Similarly， when using PCD weaving tools， the cutting force could be effectively reduced compared to dry drilling.

Key words: carbon fibre composites, ultrasonic vibration, PCD tool, cutting force, hole?making

中图分类号:

TQ327

王诚, 苏永生, 阮芳涛, 朱益洋. 碳纤维复合材料超声制孔试验研究[J]. 中国塑料, 2025, 39(3): 65-70.

WANG Cheng, SU Yongsheng, RUAN Fangtao, ZHU Yiyang. Experimental study on hole⁃making of CFRP with ultrasonic vibration[J]. China Plastics, 2025, 39(3): 65-70.

图/表 7

图1 CFRP干式制孔试验

Fig.1 CFRP dry hole making test

切削参数	取值范围
n/r·min^-1	8 000
a_p/mm	4
f_z/（mm·z^-1）	0.02、0.03、0.04、0.05

表1 制孔试验切削参数

Tab.1 Cutting parameters for hole making test

图2 不同制孔方式下切削力变化曲线图

Fig.2 Variation curve of cutting force under different hole making methods

图3 孔入口直径及相对误差

Fig.3 Hole entrance diameter and relative error

图4 不同制孔方式下孔入口外部宏观形貌

Fig.4 Macroscopic morphology of hole entrance under different hole making methods

图5 不同制孔方式下孔入口处表面微观形貌

Fig.5 Surface micromorphology at the hole entrance under different hole making methods

图6 刀具表面黏结情况

Fig.6 Tool surface adhesion

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碳纤维复合材料超声制孔试验研究

Experimental study on hole⁃making of CFRP with ultrasonic vibration

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